珠江口及鄰近海域潮汐環(huán)流數(shù)值模擬II
——河口水交換和物質(zhì)輸運(yùn)分析?

丁　芮， 陳學(xué)恩??， 曲念東

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；　2.國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510300)

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珠江口及鄰近海域潮汐環(huán)流數(shù)值模擬II
——河口水交換和物質(zhì)輸運(yùn)分析?

丁芮1， 陳學(xué)恩1??， 曲念東2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510300)

摘要：采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格三維有限體積海洋模式FVCOM所建立的珠江口及鄰近海域的三維正壓高分辨率數(shù)值模型，對(duì)珠江口水域的水交換和物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，只考慮潮汐作用時(shí)，珠江口內(nèi)灣水交換能力很弱，海水滯留時(shí)間在90d以上；加入徑流、風(fēng)應(yīng)力作用后內(nèi)灣水交換能力變強(qiáng)，示蹤物的滯留時(shí)間分布大體上在珠江口航道區(qū)以及河口西側(cè)(靠近珠江口門處)較短，在河口東側(cè)(遠(yuǎn)離珠江口門處)和西側(cè)淺灘較長(zhǎng)。在豐水期，西南風(fēng)驅(qū)動(dòng)下河口示蹤物平均濃度最低，為0.34，滯留時(shí)間最短，自西向東由10d逐漸過(guò)渡為90d以上。對(duì)不同海域之間的水交換分析表明，珠江河口內(nèi)4大口門以及伶仃洋海區(qū)、磨刀門海區(qū)水交換能力最強(qiáng)；深圳灣、大鵬灣、大亞灣與口門外陸架海域的水交換能力較弱。粒子追蹤試驗(yàn)表明，珠江口內(nèi)粒子在枯水期會(huì)進(jìn)入黃茅海，在豐水期則可抵達(dá)大亞灣和大鵬灣。徑流和風(fēng)應(yīng)力作用會(huì)不同程度加大珠江口海域不同口門處粒子位移，在枯水期粒子向西運(yùn)動(dòng)，洪奇門、磨刀門與雞啼門處粒子位移最大，90d內(nèi)可達(dá)285km；在豐水期粒子向東運(yùn)動(dòng)，橫門處粒子位移最大，90d內(nèi)可達(dá)190km，部分可至大亞灣和大鵬灣，且粒子運(yùn)動(dòng)呈螺旋狀推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬； 珠江口； 水交換； 滯留時(shí)間； FVCOM

引用格式：丁芮， 陳學(xué)恩， 曲念東. 珠江口及鄰近海域潮汐環(huán)流數(shù)值模擬II 河口水交換和物質(zhì)輸運(yùn)分析[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016， 46(7)： 1-10.

DING Rui， CHEN Xue-En， QU Nian-Dong. Three-dimensional high-resolution numerical study of the tide and circulation in the Pearl River Estuary and its adjacent waters Part II: Estuarine mass transport and water exchange[J]. Periodical of Ocean University of China, 2006, 46(7): 1-10.

珠江位于中國(guó)廣東省南部，年徑流量全國(guó)第二，其流入南海的入?？谟苫㈤T、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門及崖門共8個(gè)口門組成。珠江口及鄰近海域常年受季風(fēng)影響，且島嶼眾多，地貌特征復(fù)雜[1]，隨著珠江三角洲經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，珠江口海域大量接納了沿岸毗鄰地區(qū)直接排放的污水，接收通過(guò)大小徑流攜帶入海以及大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的污染物，其海水質(zhì)量日趨惡化，面臨著十分嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，研究在潮汐、徑流、季風(fēng)影響下珠江口水域的水交換情況是很有意義的。

關(guān)于珠江口水域水交換方面的研究相對(duì)較少，主要的工作包括：林洪瑛等[2]利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模式結(jié)合實(shí)測(cè)資料計(jì)算了多河流河口海區(qū)混合交換、河口灣海水交換率、更新時(shí)間和替代率；韓保新等[3]應(yīng)用二維數(shù)值模擬方法對(duì)珠江口河口區(qū)潮汐和潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了拉格朗日余流場(chǎng)并將珠江口水交換能力分為三級(jí)；裴木鳳等[4]基于溶解態(tài)保守性物質(zhì)對(duì)流—擴(kuò)散的水質(zhì)模型，計(jì)算了珠江口水體的平均停留時(shí)間。前人研究為珠江口的水交換分析提供了有益的探索，但限于模型自身限制以及計(jì)算資源的制約，多將珠江口作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行分析[2，4]，或只簡(jiǎn)單地考慮了余流場(chǎng)表征的水交換[3]。為了對(duì)珠江口及鄰近海域不同區(qū)域的水交換過(guò)程和水交換能力，以及質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析有一個(gè)全面而細(xì)致的認(rèn)識(shí)，本文基于在珠江口及鄰近海域建立的高分辨率水動(dòng)力數(shù)值模型[9]，著重對(duì)珠江口水域的水交換情況進(jìn)行了研究，分析了在潮汐、徑流、季風(fēng)場(chǎng)3種因素影響下的水交換特征。

1　模型和分析方法

本文水動(dòng)力模型采用FVCOM海洋模式，其模擬區(qū)域?yàn)?10.2°E～116.25°E，20.04°N～23.28°N，水平網(wǎng)格共有95 627個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)，184 804個(gè)三角形單元，網(wǎng)格在珠江口海域尤其是航道區(qū)進(jìn)行了重點(diǎn)加密。珠江口區(qū)域岸線和地形數(shù)據(jù)來(lái)自NOAA/NGDC和ETOP1，并采用中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖予以了訂正。模型的徑流數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)河流泥沙公報(bào)(2008)》中高要等水文站的月平均徑流量[6]；外海每個(gè)開邊界網(wǎng)格點(diǎn)上的潮汐驅(qū)動(dòng)采用了由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的全球潮汐同化數(shù)據(jù)(OTIS)計(jì)算所得八分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)預(yù)報(bào)水位。模型內(nèi)、外模時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)為12s、2s[9]。

為了表達(dá)保守物理量的運(yùn)移規(guī)律，本文通過(guò)染色試驗(yàn)來(lái)分析珠江口水域的海水滯留時(shí)間，所采用的保守物理量濃度擴(kuò)散方程如下：

其中：C為染色試驗(yàn)中保守物理量的濃度；D總水深；u,v和ω為流速分量；Kh垂直擴(kuò)散系數(shù)；Fc水平擴(kuò)散項(xiàng)；C0為初始濃度或者點(diǎn)源濃度[5,8]。

為了研究珠江口及鄰近海域中不同區(qū)域之間的物質(zhì)交換和八大口門物質(zhì)輸運(yùn)情況，本文采用拉格朗日粒子追蹤方法研究了特定時(shí)段內(nèi)特定數(shù)量粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

考慮到珠江口及鄰近海域季風(fēng)特征明顯，下文著重分析了不同季風(fēng)主導(dǎo)下的2個(gè)模擬時(shí)段：2008年1月1日至4月30日，此時(shí)間段為枯水期，徑流量較小且東北季風(fēng)主導(dǎo)；2008年5月1日至8月31日，此時(shí)間段為豐水期，徑流量較大且西南季風(fēng)主導(dǎo)。模式的積分時(shí)間共計(jì)245d。

2　珠江口海域海水滯留時(shí)間分布

2.1 試驗(yàn)設(shè)定

為了研究珠江口內(nèi)灣與全灣在潮汐、徑流和風(fēng)場(chǎng)等不同作用下的水交換過(guò)程，將珠江口分為內(nèi)灣(I區(qū))和全灣(I區(qū)+II區(qū))2個(gè)區(qū)域(見圖1中藍(lán)色分界線)，設(shè)計(jì)了2組染色試驗(yàn)(見表1)。在第一組試驗(yàn)中，內(nèi)灣(I區(qū))示蹤物初始濃度均設(shè)為1，其他區(qū)域示蹤物濃度為0：A1～A4分別代表在潮汐驅(qū)動(dòng)、潮汐和徑流驅(qū)動(dòng)、枯水期和豐水期階段的染色試驗(yàn)。第二組試驗(yàn)中，全灣(I區(qū)+II區(qū))示蹤物初始濃度均設(shè)為1，其他區(qū)域示蹤物濃度為0：B1～B4表示的染色試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)條件與第一組試驗(yàn)中A1～A4所對(duì)應(yīng)。為了對(duì)示蹤物濃度的變化進(jìn)行潮汐時(shí)間尺度的平均，本文先對(duì)垂向平均的示蹤物濃度進(jìn)行25h平均，然后計(jì)算各點(diǎn)濃度降為1/e(0.37)時(shí)所用的時(shí)間，定義為該點(diǎn)的海水滯留時(shí)間。

圖1　數(shù)值試驗(yàn)海域分區(qū)示意圖

注：①Forced factor；②Tide；③Runoff；④Northeast wind；⑤Southwest wind；⑥Experimentname

2.2 模擬結(jié)果分析

圖2給出第一組試驗(yàn)中A1～A4 4個(gè)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算到第30、60和90天后內(nèi)灣示蹤物的濃度。A1試驗(yàn)中，只有潮汐驅(qū)動(dòng)下，海水的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)水平擴(kuò)散這種低效方式[7]，并且珠江口內(nèi)有許多渦旋結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)限制灣外海水與灣內(nèi)海水的交換，受外海潮流影響的主要是河口東部深槽區(qū)[1]，示蹤物便隨著海水通過(guò)河口東部的航道向外海擴(kuò)散，使得東側(cè)示蹤物濃度小于西側(cè)示蹤物濃度。此時(shí)內(nèi)灣水交換能力很弱，90d后示蹤物平均濃度為0.77。

A2試驗(yàn)中，內(nèi)灣受4大口門下泄徑流的影響，水交換能力有了明顯提高，徑流帶動(dòng)內(nèi)灣的海水流出河口，水交換速度明顯加快，整個(gè)內(nèi)灣的示蹤物向外海擴(kuò)散得到了加強(qiáng)，濃度顯著降低。比起只有潮汐驅(qū)動(dòng)時(shí)，內(nèi)灣濃度分布有很大的不同，大體上呈西側(cè)濃度低，東側(cè)濃度高，這也說(shuō)明了河西部淺灘區(qū)主要受徑流下泄影響[1]。但淇澳島以南區(qū)域由于淇澳島阻礙以及西側(cè)淺灘摩擦力增大影響了示蹤物的擴(kuò)散，使得該區(qū)域濃度較大。90d后內(nèi)灣示蹤物平均濃度為0.55。

A3試驗(yàn)中，東北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下海水產(chǎn)生了很強(qiáng)的西南向沿岸流，使示蹤物向西沿著岸線擴(kuò)散，部分進(jìn)入黃茅海等珠江口以西的沿岸區(qū)域。在河口內(nèi)東側(cè)示蹤物濃度高值區(qū)稍有擴(kuò)大，西側(cè)示蹤物濃度依舊較低。90d后內(nèi)灣示蹤物平均濃度為0.62。

A4試驗(yàn)中，西南風(fēng)作用下使示蹤物迅速向東沿岸擴(kuò)散，90d后部分可至大鵬灣。由于豐水期徑流較枯水期大得多，下泄徑流加速了內(nèi)灣示蹤物向外海擴(kuò)散，河口東側(cè)示蹤物濃度明顯減小。90d后內(nèi)灣示蹤物平均濃度為0.34。

大體上看A3，A4試驗(yàn)與A2試驗(yàn)相比，淇澳島以南及深圳灣區(qū)域示蹤物擴(kuò)散加快。A4試驗(yàn)中，內(nèi)灣示蹤物擴(kuò)散最快，90d后內(nèi)灣示蹤物平均濃度最小。

(灰色線代表1/e等值線;自上而下各行分別代表A1-A4試驗(yàn)。Grey lines represent 1/e isolines; Rows from the top down represent A1-A4 experiments.)

圖3給出了A2～A4試驗(yàn)中內(nèi)灣區(qū)域的海水滯留時(shí)間分布。由于只考慮潮汐作用的A1試驗(yàn)中內(nèi)灣各點(diǎn)滯留天數(shù)均大于90d，圖3中沒(méi)有給出A1試驗(yàn)的內(nèi)灣滯留時(shí)間分布。由圖3可見，內(nèi)灣滯留天數(shù)等值線大致呈西北-東南走向，徑流作用使河口西側(cè)滯留天數(shù)小于河口東側(cè)，不同季風(fēng)和不同徑流量使得滯留天數(shù)分布有所區(qū)別。

A2試驗(yàn)中，由于下泄徑流的作用，河口西部和中部絕大部分區(qū)域滯留天數(shù)較小，在5～30d之間。河口西部淇澳島以及西側(cè)淺灘阻礙了位于淇澳島以南區(qū)域的示蹤物擴(kuò)散，和東側(cè)遠(yuǎn)離徑流下泄區(qū)域的滯留天數(shù)都在90d以上。

A3試驗(yàn)中，淇澳島以南區(qū)域示蹤物擴(kuò)散加快，滯留天數(shù)減小，但河口東側(cè)滯留天數(shù)大于90d的區(qū)域有所增大。

A4試驗(yàn)中，由于豐水期徑流量很大再加上西南風(fēng)強(qiáng)迫使河口內(nèi)示蹤物加速混合和擴(kuò)散，淇澳島以南區(qū)域滯留天數(shù)大幅度縮短。東側(cè)滯留天數(shù)大于90d的區(qū)域相比較前3個(gè)試驗(yàn)都有所減少，滯留天數(shù)從西向東由10d逐漸增加到90d以上。4個(gè)試驗(yàn)相比較，A4試驗(yàn)中內(nèi)灣水交換能力最強(qiáng)，滯留天數(shù)在90d以上的區(qū)域最小。

圖3　I區(qū)滯留天數(shù)分布圖(單位：天)

(灰色線代表1/e等值線;自上而下各行分別代表B1～B4試驗(yàn)。Grey lines represent 1/e isolines; rows from the top down represent B1-B4 experiments.)

圖4給出第二組試驗(yàn)中B1～B4 4個(gè)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算到第30、60和90天后內(nèi)灣示蹤物的濃度。在全灣的染色試驗(yàn)中，不同強(qiáng)迫條件下示蹤物濃度的擴(kuò)散情況與對(duì)應(yīng)條件下內(nèi)灣示蹤物濃度擴(kuò)散趨勢(shì)基本一致。與內(nèi)灣染色試驗(yàn)不同的是，全灣試驗(yàn)中外海的示蹤物濃度更高，此特點(diǎn)在B4試驗(yàn)中體現(xiàn)得更明顯，90d后示蹤物會(huì)擴(kuò)散至大亞灣以東。

圖4同時(shí)表明，由于全灣區(qū)域較大，滯留時(shí)間相應(yīng)增加，所以，在各種強(qiáng)迫條件下全灣各點(diǎn)的滯留天數(shù)均大于90d。

3　珠江口及鄰近海域不同區(qū)域間水交換特征

3.1 試驗(yàn)設(shè)定

在珠江口及鄰近海域拉格朗日粒子追蹤試驗(yàn)中，定義粒子交換率為各區(qū)域原有粒子流動(dòng)到其他區(qū)域的數(shù)量與各區(qū)域原有粒子數(shù)之比，以此分析珠江口及鄰近海域各區(qū)域之間的水交換。

為了研究珠江口及鄰近海域各區(qū)域在潮汐、徑流、季風(fēng)等不同驅(qū)動(dòng)條件組合作用下的水交換情況，本文設(shè)計(jì)了4個(gè)試驗(yàn)(見表2)。為了能夠區(qū)分重點(diǎn)海域的水交換，將該海域分為8個(gè)區(qū)域(如圖1紅線劃分的區(qū)域)，其中，A區(qū)為內(nèi)伶仃島北側(cè)，包括了珠江口內(nèi)的4大口門；B區(qū)為深圳灣；C區(qū)為內(nèi)伶仃島以南、大濠島以北的區(qū)域；D區(qū)為C區(qū)以南，高欄島與大濠島連線以北的區(qū)域，包括了磨刀門和雞啼門；E區(qū)為香港和大濠島以南，高欄島與香港連線以北的區(qū)域；F區(qū)為黃茅海海域，包括崖門和虎跳門；G區(qū)為大鵬灣；H區(qū)為大亞灣。

在強(qiáng)迫條件的不同組合下的數(shù)值試驗(yàn)中，待模型穩(wěn)定后，作者在8個(gè)區(qū)域內(nèi)均勻投放粒子，然后追蹤每個(gè)粒子的軌跡，用于下文的水交換分析。

表2　試驗(yàn)設(shè)定

Note：①Forced factor；②Tide；③Runoff；④Northeast wind；⑤Southwest wind；⑥Experiment name

3.2 模擬結(jié)果分析

圖5給出了T1～T4 4個(gè)試驗(yàn)粒子釋放后第30、60、90天的各區(qū)域粒子交換率，即各區(qū)域粒子在原區(qū)域的保有率和到達(dá)其他區(qū)域的交換率。圖表對(duì)角線上的各單元格為每行的源，其他單元格是每行的匯；每行表征1個(gè)特定海域單元與其他7個(gè)海域單元的交換情況，也就是說(shuō)，該海域單元內(nèi)粒子在本區(qū)域的保有率及其到達(dá)其它區(qū)域的交換率，體現(xiàn)了該海域單元內(nèi)粒子的交換狀態(tài)；通常來(lái)說(shuō)，每個(gè)區(qū)域單元內(nèi)粒子保有率的變化幅度小于2%時(shí)，本文認(rèn)為其交換達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。為了能夠簡(jiǎn)明地表達(dá)各區(qū)域之間隨著時(shí)間推移的基本水交換狀態(tài)，粒子交換率低于5%的區(qū)域視為無(wú)交換發(fā)生。

由圖5可見，T1試驗(yàn)中，僅有潮汐驅(qū)動(dòng)，粒子只會(huì)在相鄰區(qū)域之間進(jìn)行微弱交換，各區(qū)域傳入珠江口門外海的粒子也很少。

T2試驗(yàn)中，第30天時(shí)，A區(qū)粒子主要通過(guò)C、D區(qū)進(jìn)入外海。B區(qū)粒子沒(méi)有進(jìn)入其他區(qū)域；C區(qū)有52.3%粒子進(jìn)入D區(qū)；D區(qū)有43.1%粒子流入外海；E區(qū)粒子除了向外海擴(kuò)散外，由于下泄徑流向西流動(dòng)，還有7%的粒子流入了D區(qū)；F、G、H區(qū)分別有13.2%、6.6%、17.4%的粒子擴(kuò)散到外海。第60天時(shí)，A區(qū)有6.2%粒子進(jìn)入B區(qū)；B、G、H區(qū)粒子保有率基本不變，這些區(qū)域水交換達(dá)到穩(wěn)態(tài)。第90天時(shí)，A區(qū)粒子的保有率只有18.6%，其余粒子分別進(jìn)入B、C、D、E區(qū)；C、D、E、F區(qū)粒子繼續(xù)向外海擴(kuò)散。

在T3試驗(yàn)中，第30天時(shí)，A區(qū)粒子通過(guò)C、D區(qū)向外海擴(kuò)散，并有15.5%的粒子進(jìn)入F區(qū)；B區(qū)粒子有7.1%進(jìn)入A區(qū)；C區(qū)粒子通過(guò)D、F區(qū)向外海擴(kuò)散；D、E、F、G、H區(qū)粒子直接擴(kuò)散到外海，且D、E區(qū)進(jìn)入外海的粒子比F、G、H區(qū)的多；第60和第90天各區(qū)域間交換趨勢(shì)基本一致，各區(qū)域的粒子保有率變化小于2%，此時(shí)區(qū)域間水交換已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由于東北風(fēng)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的西南向沿岸流，容易使粒子粘滯在沿岸陸地，這也是試驗(yàn)中區(qū)域間水交換很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)的可能原因之一。

在T4試驗(yàn)中，第30天時(shí)，A、C區(qū)大部分粒子進(jìn)入D、E區(qū)后流入外海；B區(qū)有21.4%的粒子進(jìn)入E區(qū)；D區(qū)粒子有33.2%進(jìn)入F區(qū)，E區(qū)粒子有14.3%進(jìn)入D區(qū)；F、G、H區(qū)少數(shù)粒子擴(kuò)散進(jìn)外海。第60天時(shí)，A、B、F、G、H區(qū)的粒子保有率基本不變，交換達(dá)到穩(wěn)態(tài)。C區(qū)有9.5%的粒子進(jìn)入G區(qū)，E區(qū)分別有5.5%和5%的粒子進(jìn)入G、H區(qū)。第90天時(shí)，C區(qū)進(jìn)入G區(qū)粒子以及E區(qū)進(jìn)入G、H區(qū)的粒子都有所增加，同時(shí)D區(qū)有5%的粒子進(jìn)入G區(qū)。

從4個(gè)試驗(yàn)各區(qū)域90d后的粒子交換率和粒子保有率分析可以看出，A區(qū)的水交換能力很強(qiáng)，這是由于區(qū)域內(nèi)4大口(門虎門、蕉門、洪奇門、橫門)徑流量在枯水期最大可達(dá)到2000～3000m3·s-1，徑流下泄促進(jìn)粒子的擴(kuò)散，T2試驗(yàn)有81.4%的粒子擴(kuò)散至其他區(qū)域或流入外海，在T4試驗(yàn)豐水期階段，A區(qū)的水交換能力會(huì)隨著徑流量增大以及西南風(fēng)驅(qū)動(dòng)變得更強(qiáng)，粒子保有率僅為13%。C區(qū)同樣是受到徑流下泄的影響，水交換能力也較強(qiáng)，T2試驗(yàn)中粒子保有率為40.8%。在枯水期受東北風(fēng)作用，粒子保有率降低為12.3%，同時(shí)東北風(fēng)產(chǎn)生的西向沿岸流使C區(qū)11.5%粒子進(jìn)入黃茅海；在豐水期該區(qū)域水交換能力最強(qiáng)，粒子保有率為6.2%，在西南風(fēng)作用下，C區(qū)9.8%粒子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)大鵬灣。

(自上而下各行分別代表T1-T4試驗(yàn)。Rows from the top down represent T1-T4 experiments.)

B區(qū)水交換能力很弱，從余流場(chǎng)分布來(lái)看[9]，B區(qū)內(nèi)有很多余流渦旋結(jié)構(gòu)，并且B區(qū)面積相對(duì)較小，水深較淺，粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中很容易受岸界與底摩擦力引起的黏滯作用；所以這些渦旋結(jié)構(gòu)和黏滯作用阻礙了粒子流出B區(qū)。T2試驗(yàn)中B區(qū)粒子保有率為100%，T3試驗(yàn)在枯水期加入東北風(fēng)作用后，B區(qū)水交換能力有所改善，粒子保有率為92.9%；T4試驗(yàn)在豐水期有西南風(fēng)作用時(shí)B區(qū)水交換能力最強(qiáng)粒子保有率為71.4%。

D區(qū)水交換能力較強(qiáng)，此區(qū)域內(nèi)的磨刀門是8大口門中徑流量最大的口門，T2試驗(yàn)中受磨刀門和雞啼門徑流下泄影響粒子保有率為22.6%，。在枯水期東北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下D區(qū)水交換能力最強(qiáng)，粒子保有率降至13.4%。

E區(qū)水交換能力一般，T2試驗(yàn)中，該區(qū)粒子保有率為57.1%，6.3%會(huì)進(jìn)入D區(qū)。從余流場(chǎng)分布來(lái)看[9]，這是由于E區(qū)受到珠江口南下徑流逐漸轉(zhuǎn)為西向流動(dòng)的影響，使得一部分粒子隨著下泄徑流流入D區(qū)。在枯水期E區(qū)水交換能力最強(qiáng)，粒子保有率為23%，但粒子不會(huì)進(jìn)入D區(qū)。在豐水期粒子分別有6.1%，5.2%進(jìn)入G、H區(qū)。

F區(qū)水交換能力一般，不論在何種驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散到外海的粒子都少于20%。這是由于雖然F區(qū)內(nèi)有崖門、虎跳門2大口門，但是這2個(gè)口門的徑流量很小，分流比一共為11.2%[10]，所以徑流下泄的影響較小，不利于粒子擴(kuò)散。

G、H區(qū)的擴(kuò)散情況很相似，它們的水交換能力都較弱。尤其是G區(qū)，不同驅(qū)動(dòng)下水交換達(dá)到穩(wěn)態(tài)后只有不到5%的粒子擴(kuò)散到外海。H區(qū)與G區(qū)相比水交換能力稍強(qiáng)，不同試驗(yàn)水交換達(dá)到穩(wěn)態(tài)后有20%左右的粒子擴(kuò)散到外海，并且在豐水期該區(qū)域水交換能力最強(qiáng)，粒子交換率為23.5%。G、H區(qū)之所以水交換能力較弱，主要是由于區(qū)域內(nèi)較多的余流渦旋結(jié)構(gòu)[9]和岸界黏滯作用阻礙了粒子的流動(dòng)，加之沒(méi)有徑流影響，使得粒子向外海擴(kuò)散更為困難。

4　八大口門物質(zhì)輸運(yùn)特征

4.1 試驗(yàn)設(shè)定

為分析珠江口8大口門(見圖1)釋放粒子的擴(kuò)散輸運(yùn)過(guò)程，在不同強(qiáng)迫條件組合下(見表3)于8個(gè)口門處各釋放250個(gè)粒子，再次運(yùn)行拉格朗日粒子追蹤試驗(yàn)，得到其90d的運(yùn)動(dòng)軌跡，考慮到口門位置以及徑流量的大小，分別將虎門和蕉門、雞啼門與磨刀門、崖門和虎跳門處釋放的粒子標(biāo)記為相同顏色(見圖6)。

圖6　粒子運(yùn)移軌跡示意圖

4.2 模擬結(jié)果分析

由圖6可見，在R1試驗(yàn)中，只在潮汐驅(qū)動(dòng)下粒子位移很小，基本都在口門附近運(yùn)動(dòng)。在R2試驗(yàn)中，在潮汐和徑流驅(qū)動(dòng)下珠江口內(nèi)口門的粒子都向南流動(dòng)，虎門和蕉門的粒子向南流動(dòng)至大濠島繞其兩側(cè)向南流動(dòng)；洪奇門和橫門的粒子在流出河口時(shí)交匯，向西南方向運(yùn)動(dòng)；受徑流的影響，河口內(nèi)4個(gè)口門的粒子運(yùn)移速度較快，90d內(nèi)最大位移達(dá)到100km；從磨刀門和雞啼門流出的粒子分別向西南，東南方向擴(kuò)散，90d內(nèi)最大位移達(dá)到70km；然而由于崖門和虎跳門徑流量較小，不利于粒子的擴(kuò)散，基本都徘徊在口門附近。

在R3試驗(yàn)中，除了虎門蕉門處一些粒子向河口東部移動(dòng)之外，由于東北風(fēng)的作用，河口4個(gè)口門的粒子沿著西側(cè)岸界流出后與磨刀門和雞啼門的粒子一起沿著岸界向西和西南向流動(dòng)，其中洪奇門、磨刀門與雞啼門處粒子位移為4個(gè)試驗(yàn)中最大，90d內(nèi)可達(dá)到285km。

在R4試驗(yàn)中，珠江內(nèi)河區(qū)4大口門處的粒子運(yùn)動(dòng)大致趨勢(shì)都是先向西南運(yùn)動(dòng)到大濠島西側(cè)，然后轉(zhuǎn)向東和東南向運(yùn)動(dòng)，洪奇門部分粒子可至大鵬灣，位移約為110km；橫門處粒子位移是4個(gè)試驗(yàn)中最大，部分可至大鵬灣，大亞灣，其位移最大為190km。磨刀門和雞啼門處粒子大部分向東南向運(yùn)動(dòng)，還有小部分先向西南運(yùn)動(dòng)后轉(zhuǎn)向東南運(yùn)動(dòng)。崖門虎跳門處粒子也分別向西南、東南方向運(yùn)動(dòng)。并且在以上試驗(yàn)中，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線，說(shuō)明粒子運(yùn)動(dòng)呈螺旋狀推進(jìn)[7]。

表3　試驗(yàn)設(shè)定

Note：①Forced factor；②Tide；③Runoff；④Northeast wind；⑤Southwest wind；⑥Experiment name

5　結(jié)論

本文基于無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式FVCOM，考慮8個(gè)主要分潮、徑流以及風(fēng)場(chǎng)影響，通過(guò)建立珠江口及鄰近海域高精度的水動(dòng)力數(shù)值模型，研究了珠江口及鄰近海域的海水滯留時(shí)間變化和水交換情況。主要結(jié)論如下：

(1)在A1～A4試驗(yàn)中，內(nèi)灣海水滯留天數(shù)等值線大致呈西北-東南走向，總體上河口西側(cè)滯留天數(shù)小于河口東側(cè)。只考慮潮汐作用時(shí)，內(nèi)灣水交換能力很弱，滯留天數(shù)均大于90d。在潮汐，徑流共同作用下，由于徑流下泄會(huì)帶動(dòng)內(nèi)灣海水的運(yùn)動(dòng)，向?yàn)惩饬鲃?dòng)，所以內(nèi)灣的水交換能力有了明顯提高，河口中西部區(qū)域滯留天數(shù)最小(在5～30d之間)，但淇澳島以南以及河口東側(cè)區(qū)域滯留時(shí)間較大。在枯水期，淇澳島以南區(qū)域滯留時(shí)間減小，但河口東側(cè)滯留天數(shù)大于90d的區(qū)域有所增大。在豐水期，淇澳島以南區(qū)域滯留時(shí)間為4個(gè)試驗(yàn)中最短，滯留天數(shù)自西向東由10d逐漸增至90d，并且只有東側(cè)小部分水域滯留天數(shù)在90d以上，此試驗(yàn)中內(nèi)灣水交換能力最強(qiáng)。全灣滯留時(shí)間大于90d。

(2)徑流量與季風(fēng)場(chǎng)作用會(huì)影響各區(qū)域的水交換能力。相對(duì)于只考慮潮汐作用或者有潮汐，徑流雙重作用的情況下，枯水期，D、E區(qū)水交換能力會(huì)增強(qiáng)，東北風(fēng)作用會(huì)使A、C區(qū)分別有14.3%和11.5%的粒子進(jìn)入黃茅海；豐水期，A、B、C、F、G、H區(qū)水交換能力會(huì)增強(qiáng)。西南風(fēng)作用會(huì)使E區(qū)5.2%粒子進(jìn)入大亞灣，并且C、D、E分別有9.8%，5.0%，6.1%的粒子進(jìn)入大鵬灣內(nèi)?？傮w而言，珠江內(nèi)河區(qū)4大口門以及伶仃洋海區(qū)，磨刀門海區(qū)由于強(qiáng)徑流作用水交換能力最強(qiáng)；深圳灣，大鵬灣，大亞灣由于余流渦旋結(jié)構(gòu)和岸界粘滯作用與外海的水交換能力較弱。

(3)在8大口門物質(zhì)輸運(yùn)試驗(yàn)中，只考慮潮汐驅(qū)動(dòng)時(shí)，粒子位移很小，基本都在口門附近運(yùn)動(dòng)。在潮汐和徑流驅(qū)動(dòng)下，受徑流下泄影響，珠江河口內(nèi)4大口門處粒子向南運(yùn)動(dòng)，最大位移為100km；從磨刀門和雞啼門流出的粒子分別向西南，東南方向擴(kuò)散，90d內(nèi)最大位移達(dá)到70km；但崖門和虎跳門處徑流量較小，不利于粒子擴(kuò)散，基本都徘徊在口門附近。在枯水期，河口4個(gè)口門的粒子沿著西側(cè)岸界流出后與磨刀門和雞啼門的粒子一起沿著岸界向西和西南向流動(dòng)，其中洪奇門、磨刀門與雞啼門處粒子位移為4個(gè)試驗(yàn)中最大，90d內(nèi)可達(dá)到285km。在豐水期階段，八大口門處的粒子運(yùn)動(dòng)大致趨勢(shì)都是向東南和東向運(yùn)動(dòng)，洪奇門部分粒子可至大鵬灣，位移約為110km；橫門處粒子位移是4個(gè)試驗(yàn)中最大，部分可至大鵬灣，大亞灣，其位移最大為190km。同時(shí)，加入風(fēng)驅(qū)動(dòng)后R3，R4 2個(gè)試驗(yàn)粒子的位移相比R1，R2試驗(yàn)中增大，并且粒子運(yùn)動(dòng)呈螺旋狀推進(jìn)。

致謝:在研究過(guò)程中，史軍強(qiáng)同學(xué)提出了有益的建議，國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心提供了千萬(wàn)億次“神威藍(lán)光”計(jì)算平臺(tái)，在此一并表示感謝。

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責(zé)任編輯龐旻

基金項(xiàng)目：? 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“小型陣變頻高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的開發(fā)和應(yīng)用”(201205032-2)；“海底管道探測(cè)技術(shù)集成及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與示范應(yīng)用”(201305026-3)資助

收稿日期：2015-03-08；

修訂日期：2015-10-09

作者簡(jiǎn)介：丁芮(1990-)，女，碩士。E-mail: aadingrui@126.com ??通訊作者：E-mail: xchen@ouc.edu.cn

中圖法分類號(hào)：P731.27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)07-001-10

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150065

Three-Dimensional High-Resolution Numerical Study of the Tide and Circulation in the Pearl River Estuary and Its Adjacent Waters Part II: Estuarine Mass Transport and Water Exchange

DING Rui1， CHEN Xue-En1， QU Nian-Dong2

(1 College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100，China; 2 South China Sea Environmental Monitoring Center, SOA, Guangzhou 510300，China)

Abstract:Based on an unstructured grid and finite-volume coastal ocean model (FVCOM), including highly accurate coastline and bathymetry data, a three-dimension model with high resolution is constructed in the Pearl River Estuary and its adjacent sea area to calculate the transport of estuarine mass and the capacity of water exchange. The results indicate that, with an impact of tides, the capacity of the water exchange in the Pearl River Estuary is weak and the residence time of the waters is more than 90 days,. The runoff and the wind stress can enhance the capacity of the water exchange, and the residence time of the dye in the channel and the west (near entrances of the Pearl River) is shorter than that in the western shoal and the east (away from entrances of the Pearl River). Moreover, during the flood season, the mean concentration of the dye in the estuary maintain low and the residence time of it maintain short, driven by a southwestern wind. The capacities of the water exchange in entrances of the estuary and the sea area of Lingdingyang and Modaomen are strong, while in the sea area of Shenzhen Bay, Daya Bay and Mirs Bay, the capacities of the water exchange are relatively weak. Tracers of the estuary enter Huangmao Sea in the dry season and enter Daya Bay, Mirs Bay in the flood season. With impacts of the runoff and the wind stress, the capacity of the water exchange in the estuary and the velocity with which the tracers in entrances of the estuary transport are both enhanced.In the dry season, tracers move to the west and the maximum displacement is 285 kmin 90 days .In the flood season, tracers move to the east and the maximum displacement is 190 kmin 90 days. The tracers move forward in a helical way.

Key words:the Pearl River Estuary; water exchange; residence time; numerical simulation; FVCOM

Supported by “Quality Control and Application of Smart Antenna HF Radar Data”(201205032-2)；“Research and Demonstration of Technology Integration and Risk Assessment for Submarine Pipeline Detection”(201305026-3)